故障诊断习题及答案

工况监测与故障诊断复习题作业题

1概论

1、什么是工况监测与故障诊断？书P3

工况监测与故障诊断是指在一定工作环境下，查明导致系统某种功能失调的原因或性质，判断劣化发生的部位或部件，预测状态劣化的发展趋势

2、开展工况监测与故障诊断技术研究的意义？书P4

⑴预防事故，保证人身和设备的安全；

⑵推动设备维修制度的改革；

⑶提高经济效益

3、设备状态监测与故障诊断技术包括哪几方面的内容？书P5

传统诊断方法,数学诊断方法，智能诊断方法

2 故障的概念与分类

1、什么是故障？判断故障的准则是什么？书P7

故障：故障是指可修复产品“丧失了其规定功能”，可修复产品是指零、部件经故障再经修理后能继续使用；

判断故障的准则：在给定的工作状态下，机械系统的功能与约束条件下不能满足正常运行或原设计期望的要求

2、机械系统产生故障的原因有哪些？书P7

⑴环境因素：

①机械能机械能不但能沿着各个零件传递，而且还和外部介质发生相互作用，以静载荷和动载荷的形式对机械系统产生作用；

②热能由于周围介质温度发生变化以及机械在运转过程中的发热作用，会产生一定的热能；

③化学能化学能也会对零件产生影响，如含有水分和侵蚀成分的空气会使零件产生腐蚀破坏；

④其他能量除上述几种主要能量外，还有核能、电磁能以及生物因素等同样会对零件产生破坏作用，影响机械系统的工作能力；

⑵人为因素：

①设计不良即使设计者认为是完美的机械系统，实际上总是存在者薄弱环节；

②质量偏差制造过程中的过失误差和明显缺陷，在机械系统检验时一般都会暴露出来，可以在制造范围内予以消除

③使用不当质量合格的机械系统，在其整个生命周期内的运输和保管技术要求、使用条件

和使用方法、维护保养和修理制度以及操作人员的技术水平等，对实际故障率将产生很大影响

⑶时间因素

3、说明故障率曲线（浴盆曲线）意义？P12

4、什么是故障模式、故障机理？书P12

故障模式：故障模式是指由外因和内因对机械系统共同作用结果所显现出来的故障形态

故障机理：故障机理是指引起机械系统故障的物理、化学变化等的内在原因、规律及其原理。

3工况监测与故障诊断技术的技术知识

1、工况监测与故障诊断具体包括哪几个阶段？其基本内容有哪些？书P17

阶段：⑴信号采集及其处理；⑵状态监测；⑶故障识别

基本内容：

⑴在机械系统合适的部位，测取其有关状态的特征信号，这需要选择合适的传感器和测量方法；

⑵采用合适的征兆提取方法与装置，从特征信号中提取机械系统有关状态的征兆；

⑶采用合适的状态识别方法与装置，依据征兆进行推理而识别出机械系统的有关状态；

⑷采用合适的状态趋势分析方法与装置，依据征兆与状态进行推理而识别出有关状态的发展趋势，这里包括故障的早期诊断与预测；

⑸采用合适的决策形成方法与装置，从有关状态及其趋势形成正确的干预决策；或者深入系统的下一层次，继续诊断；或者已达指定的系统层次，做出调整、控制、自诊治、维修等有关决策。

2、设备工况监测与故障诊断技术的区别与联系？书P18

诊断是目的，监测是手段，监测是诊断的前提

工况监测通常是指通过检测手段，采集和测量机械系统或部件在运行状态下的有关信息和特征参数，以此来检查机械系统或部件的状态是否正常

机械系统或部件的故障诊断，不仅要检查出机械系统或部件是否正常，还要对机械系统或部件发生故障的部位、产生故障的原因、故障的性质和程度、给出正确的深入的判断，即要求作出精密诊断。

3、工况监测与故障诊断技术的分类？书P19

⑴按诊断对象的类别分类：

①旋转机械诊断技术；②往复机械诊断技术；③工程结构诊断技术；④机械零件诊断技术

⑤液压系统诊断技术；⑥电气设备诊断技术；⑦生产过程总和诊断技术

⑵按诊断方法分类：

①振动与噪声监测法：A.振动诊断法 B.声学诊断法；

②声学监测法；

③性能参数法：A.温度诊断法B强度诊断法 C.压力流量诊断法 D.表面形貌诊断法

④电参数诊断法；

⑶按诊断的目的、要求和条件的不同分类

①性能诊断和运行诊断；②定期诊断和连续诊断；③直接诊断和间接诊断

④在线诊断和离线诊断；⑤简易诊断和精密诊断；

4、系统分析在工况监测与故障诊断中的作用及工作过程？书P25

作用：1.确定设计的监测与诊断系统的目标和系统的功能

2.提出监测与诊断系统的初步技术方案

3.提出监测与诊断系统设计的具体实施计划

4.提出监测与诊断系统的关键技术问题，并进行分析研究。

工作过程：

主要分三步，第一，确定任务；第二，提出初步技术方案；第三，可行性分析

5、监测与诊断系统的基本结构组成？书P26

典型的检测与诊断系统由主机（PC机、工控机），分机（以单片机为核心、带有标准接口的仪器和相应的软件组成。

4 性能参数监测

1、什么是性能参数监测？书P28

机械系统操作人员从有关的工作参数提示中判断机械系统故障的经验和方法，称之为性能参数监测

2、选择监测参数的基本要求？书P28

⑴具有足够的信息量，并有典型意义；

⑵监测参数与故障形式之间应具有较高的灵敏度和较好的对应性；

⑶尽可能利用被监测对象的现有测量元件，若要重新配置，应在测量装置造价低的前提下，保证有一定的测量精度，并能实现参数的获得。

3、温度监测的方法有哪些？书P30

温度测量范围甚广，测温仪表的种类也很多。按工作原理分，有膨胀式、热电阻、热电偶以及辐射式等；按测量方式分，有接触式和非接触式两类

4、非接触式温度测量方法有哪些？书P39

⑴热辐射温度计：

①物体热辐射能与温度的关系；②辐射高温计

⑵红外测温仪器：

①红外探测器：A.热敏探测器 B.光子探测器

②红外成像：A.主动式红外成像 B.被动式红外成像

⑶红外热电视

⑷红外测温仪

5、振动监测技术

1、振动的分类？振动三要素是？书P54

分类：

⑴按激振情况分：

①自由振动；②受迫振动；③自激震动

⑵按振动规律分：

①确定性振动：

A.周期振动：a简谐振动 b.周期振动

B.非周期振动：a.准周期振动 b.过渡振动

②随机振动：

A.平稳随机振动：a.窄频带随机振动 b.宽频带随机振动

B.不平稳随机振动

⑶按振动频率分：

①低频振动；②中频振动；③高频振动

⑷按描述振动系统的自由度划分

①单自由度系统振动；②多自由度系统振动；③无限自由度系统振动

振动三要素：振幅d 频率f 相位ψ

2.常用的测振传感器有哪些？书P58

压电式加速度传感器、惯性式速度传感器、位移（电涡流式）传感器

3、振动信号时域统计分析常用参数有哪些？信号的幅值分析包括哪两方面？书P70

常用参数：①均值；②均方值；③方差。

信号幅值分析包括：信号的幅值概率密度函数、幅值概率密度分布函数

4、信号频谱分析的特点？书P71

信号频谱分析采用傅立叶变换将时域信号x(t)变换为X（f），从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征

信号的频谱代表了信号在不同频率分量处信号成分的大小，它能够提供比时域信号波形更直观、更丰富的信息

5、说明轴系不对中的分类及故障特征？书P73

分类：轴系不对中分为轴线平行且偏离一段距离、两轴线交叉和两轴线交错等几种形式

故障特征：旋转时产生振动，使联轴节处于不正常工作状态

6、说明轴承不对中的故障机理？书P76

⑴轴承不对中实际上反映的是轴承坐标高和左右位置的偏差；

⑵轴承不对中同时又使轴颈中心和平衡位置发生变化，使轴系的载荷重新分配，负荷大的轴承油膜呈现非线性，在一定条件下出现高次谐波振动；负荷较轻的轴承易引起油膜涡动进而导致油膜震荡。支承负荷的变化还会使轴系的临界转速和振型发生改变。

7、转子弯曲的种类？振动机理及故障特性？书P77

种类：永久性弯曲和临时性弯曲

振动机理：转子永久性弯曲和临时性弯曲是两种不同的故障，但其故障机理相同，都与转子质量偏心类似，因而都会产生于质量偏心类似的旋转矢量激振力。与质心偏离不同之处在于轴弯曲会使轴两端产生锥形运动，因而在轴向还会产生较大的工频振动故障特性：转子永久性弯曲和临时性弯曲与转子质量偏心基本相同，其不同之处是，具有转子永久性弯曲故障的机器，开机启动时震动就较大；而转子临时性弯曲的机器，则是随着开机升速过程振幅增大到某一值后有所减小。

8、说明转子不平衡的故障机理及特征？书P78

故障机理：由于有偏心质量m和偏心距e的存在，当转子转动时会产生离心力、离心力矩或两者兼有之。离心力的大小与偏心质量m、偏心距e及旋转角速度ω有关，即F=meω2。

交变力（方向、大小均周期性变化）会引起振动，这就是不平衡引起振动的原因。

特征：①振动的时域波形近似为正弦波；

②频谱图中，谐波能量集中于基频，并且会出现较小的高次谐波，使整个谱图呈所谓的

“枞树形”；

③当ω<ωn时，即在临界转速以下，振幅随着转速的增加而增大；当ω>ωn后，在临界

转速以上，转速增加时振幅趋于一个较小的稳定值；当ω接近于ωn时，即转速接近临界

转速时，发生共振，振幅最大值对转速的变化很敏感；

④当工作转速稳定时，转子相位稳定；

⑤转子的轴心轨迹为椭圆；

⑥从轴心轨迹观察其运动特征为同步正进动。

9、齿轮故障的常见形式和齿轮振动的类型？书P80

常见形式：⑴齿面磨损；⑵齿面划痕胶合；⑶齿面点蚀和剥落；⑷弯曲疲劳和断齿

齿轮振动类型：

⑴啮合过程中产生的振动

⑵转子不平衡或不对中产生的振动

⑶齿轮的自由振动与自激振动

10、什么是幅值调制和频率调制？P81

幅值调制：载频的时域信号幅值受到调制信号的调制。

频率调制：频率调制是一种以载波的瞬时频率变化来表示信息的调制方式，通过利用载波的不同频率来表达不同的信息。

11、齿轮常见故障的振动信号的时域特征和频域特征？P81

（1）均匀磨损

①时域特征：齿轮发生均匀磨损时，导致齿侧间隙增大，通常会使其正弦波式的啮合波形遭

到破坏。

②频域特征：齿面均匀磨损时，啮合频率及其谐波分量nfc（n＝1，2，…）在频谱图上的位置

保持不变，但其幅值大小发生改变，而且高次谐波幅值相对增大较多。

（2）齿轮偏心

①时域特征：当一对互相啮合的齿轮中有一个齿轮存在偏心时，其振动波形由于偏心的影响

被调制，产生调幅振动。

②频域特征：齿轮存在偏心时，其频谱结构将在两个方面有所反映：一是以齿轮的旋转频率

为特征的附加脉冲幅值增大；二是以齿轮一转为周期的载荷波动，从而导致调

幅现象，这时的调制频率为齿轮的回转频率，比所调制的啮合频率要小得多。

（3）齿轮不同轴

①时域特征：当齿轮出现不同轴或不对中时，其振动的时域信号具有明显的调幅现象。

②频域特征：具有不同轴故障的齿轮，由于其振幅调制作用，会在频谱上产生以各阶啮合频

率nfc(n＝1，2,…)为中心，以故障齿轮的旋转频率fr为间隔的一阶边频族，即

nfc士fr（n＝1，2,…）。同时，故障齿轮的旋转特征频率mfr（m＝1，2,…）

在频谱上有一定反映。

（4）齿轮局部异常

①时域特征：局部异常齿轮的振动波形是典型的以齿轮旋转频率为周期的冲击脉冲

②频域特征：具有局部异常故障的齿轮，由于裂纹、断齿或齿形误差的影响，将以旋转频率

为主要频域特征，即mfr（m＝1，2,…）

（5）齿距误差

①时域特征：具有齿距误差的齿轮，其振动波形理论上应具有调频特性，但由于齿距误差一

般在整个齿轮上以谐波形式分布，故在低频下也可以观察到明显的调幅特征。

②频域特征：有齿距误差的齿轮，由于齿距的误差影响到齿轮旋转角度的变化，在频率域表

现为包含旋转频率的各次谐波mfr（m=1，2，…）、各阶啮合频率nfc(n=1，2，…)

以及以故障轮的旋转频率为间隔的边频nfc士mfr（n，m＝1，2,…）等。

12、滚动轴承异常的基本形式？书P83

⑴疲劳剥落；⑵磨损；⑶腐蚀；⑷断裂；⑸塑性变形

13、引起滚动轴承振动的原因？书P83

⑴外界激振因素（如转子不平衡、不对中和结构共振等）

⑵轴承工作表面缺陷引起的震动

⑶滚动体通过载荷方向产生的振动

⑷装配不正确

⑸轴承内、外圈的加工波纹

⑹润滑不良

⑺非线性振动

14、滚动轴承振动的评定指标有哪些？书P85

⑴有效值也称均方根值，它是对时间的平均

⑵峰值是振动波形中的最大值，它的大小反映轴承由于表面剥落、裂纹等缺陷造成的冲击力

的大小

⑶波峰因数定义为振动峰值与有效值的比值

6 油液监测技术

1、油液监测技术的定义及特点？P87

油液监测技术将采集到的机械系统润滑油或工作介质样品，利用光、电、磁学等手段，分析其理化指标，检测所携带的磨损和污染物颗粒，从而获得机械系统的润滑和磨粒状态信息，定性和定量地描述机械系统的磨损状态，找出诱发因素，评价机械系统的工况和预测其故障，并确定故障部位、原因和类型。

特点：油液监测技术是一种有效的机械系统工况监测和故障诊断方法

2、油液取样时应考虑哪些因素？书P88

取样时刻、取样点位置、取样周期、取样方法和记录等。

3、油品理化检测方法有哪两种？

⑴定量。通常按国家或行业颁布的标准进行，检验结果准确、可比性好，但需要专业仪器、一定的费用和专业水平。

⑵定性。通常分为综合测定或单项检测，这类方法易于掌握，获得结果快，便于现场使用，但需要积累经验，才能正确判断

4、常用的定性分析方法有哪几种？定量分析方法检验项目有哪些？

（1）定性分析方法。包括滤纸斑点试验和润滑油污染指数测定

（2 ）定量分析方法。检测项目包括粘度、闪点、水分、酸值、机械杂质等

5、油料光谱分析原理？常用的光谱分析方法有哪几种？书P93

原理：油料光谱分析是将光谱分析用于分析在用润滑油中的金属磨粒和污染物微粒的元素组成和含量，以评价取样的机械系统和零件的磨损程度，并预报其剩余寿命。

方法：发射光谱分析、原子吸收光谱分析和X射线荧光光谱分析。

6、红外光谱分析原理？书P96

不同的化合物的分子结构不同，在红外光谱上都会出现特定位置的吸收峰，通过典型峰位和峰面积的积分计算即可对油品的某些特性进行定量的或半定量的分析。

7、铁谱技术的分析实质及应用铁谱技术分析机械系统的磨损状态主要从哪几个方面进行？书P101

实质：利用高梯度磁场的作用将机械系统摩擦副中产生的磨损颗粒从润滑油液中分离出来，并使其按照尺寸大小依次沉积在一显微基片上，而制成铁谱片，然后置于铁谱显微镜或扫描电子显微镜下进行观察；或者按照尺寸大小依次沉积在一玻璃管内，通过光学方法进行定量检测，以获得摩擦副磨损过程的各类信息，从而分析机械系统的磨损机理和判断磨损的状态。

四个方面：

⑴根据主要磨粒的形成、颜色和尺寸等特征来判定机械系统（及有关零部件）所处的磨损阶段以及相应阶段发生的磨损类型（如疲劳、剥落、腐蚀等）及其磨损的程度；

⑵根据磨损量（及磨损曲线）对机械系统的磨损程度进行量的判断；

⑶根据磨损严重性，确定机械系统磨损的剧烈程度；

⑷根据磨粒的材质成分来判断机械系统磨损的具体部位及磨损零件。

8、铁谱分析特点？

优点：

⑴具有较宽的磨粒尺寸检测范围和较高的检测效率

⑵能同时进行磨粒的定性检测和定量分析

⑶能够准确监测机械系统中一些不正常磨损的轻微征兆，具有磨损故障早起诊断的效果

缺点：

⑴对润滑油中非铁系颗粒的检测能力较低，故对含有多种材质摩擦副的机械系统进行故障诊断时，往往有所欠缺；

⑵铁谱分析的规范化不够，分析结果对操作人员的经验有较大的依赖性，若缺乏经验，往往会造成误诊或漏诊。

9、常用的铁谱仪的原理及特点？P102-106

7 无损检测技术

1、射线检测方法及检测原理？书P115

方法：主要有透视照相法、电离检测法、X射线荧光屏观察法、电视观察法及X射线计算机层

析摄影等。

原理：基本原理是利用了射线通过物质时的衰减规律，即当射线通过物质时，由于射线与物质的相互作用发生吸收和散射而衰减。

2、超声波的特点及分类？书P120

特点:(1)超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。

(2)超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。

(3)超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息（诊断或对传

声媒质产生效应）。

分类:⑴纵波；⑵横波；⑶表面波；⑷兰姆波

3、超声波检测方法有哪些？书P121

(1)接触法（2）液浸法（3）纵波脉冲反射法（4）横波探伤法

（5）表面波探伤法（6）兰姆波探伤法（7）穿透法（8）共振法

4、超声波检测设备有哪些？超声波检测的应用？书P124

设备：（1）探头（2）超声波检测仪（3）试块（4）耦合剂

应用：可用于压力容器、管道厚度的检测，箱体、床身、轴类、焊缝的探伤等

5、磁粉检测原理？渗透检测原理？书P126

磁粉检测原理：当材料或工件被磁化后，若在工件表面或近表面存在裂纹、冷隔等缺陷，便会在该处形成一漏磁场。此漏磁场将吸引、聚集检测过程中施加的磁粉，而形成缺陷显示。

渗透检测原理：利用渗透液的润湿作用和毛细现象等特性在被检材料和工件表面上浸、涂某些渗透力比较强的渗透液，将液体渗入孔隙中，然后用水或清洗剂清洗材料和工件表面的剩余渗透液，最后再将显示材料施加在被检工件表面，经毛细管作用，将孔隙中的渗透液吸出来并加以显示。6、涡流检测原理？书P131

基本原理：当载有交变电流的检测线圈靠近导电被检件时，因线圈磁场的作用，被检件中会感生出涡流。涡流的大小、相位及流动形式受被检件导电性等因素的影响，而涡流产生的反作用磁场又使检测线圈的阻抗发生变化。因此，通过测定线圈阻抗的变化。因此，通过测定线圈阻抗的变化，就可以得出被检件的导电性能差别及有无缺陷等结论。

8 状态监测数据的自动获取与管理

1、试设计一温度监测与控制系统，利用USB数据采集模块？

2、试设计一温度监测与控制系统，用无线数传模块进行数据采集与控制？

9 液压系统的故障分析与诊断

1、液压系统故障分析与诊断的内容和过程？书P155

内容：包括识别、预测和监控三个方面

过程：根据液压设备功能要求，对液压系统运行状态进行诊断检测获取诊断信息，并将据此反映的运行状态特征与该系统要求的运行状态特征进行比较，从而对其运行状态及其液压系统故障进行识别或作出判断，最后采取相应的诊断决策

2、系统压力不正常的故障分析与诊断？书P165

3、系统动作不正常的故障分析与诊断？书P165

4、系统油温过高的故障分析与诊断？书P167

5、泵不输油的故障原因分析？书P170

⑴泵不转：

①电动机轴未转动：A.未接通电源 B.电气线路及元件故障

②电动机发热跳闸：A.溢流阀调压过高，超载和后闷泵

B.溢流阀阀芯卡死、阀芯中心油孔堵塞或溢流阀内阻尼孔堵塞造成超压

不溢流

C.泵出口单向阀装反或阀芯卡死后闷泵

D.电动机故障

③泵轴或电动机轴上无连接键：A.折断B.漏装

④泵内滑动副卡死：A.配合间隙太小

B.零件精度差，装配质量差，齿轮与轴同轴度偏差太大；柱塞头部卡死；

叶片垂直度差；转子摆差太大，转子槽有伤口或叶片有伤痕，受力后

断裂而卡死

C.油液太脏

D.油温过高使零件热变形

E.泵的吸油腔进入赃物而卡死

⑵泵反转：

电动机转向不对：A.电气线路接错 B.泵体上旋向箭头错误

⑶泵轴仍可转动：

泵轴内部折断： A.轴质量差 B.泵内滑动副卡死

⑷泵不吸油：

①油箱油位过低

②吸油过滤器堵塞

③泵吸油管上阀门未打开

④泵或吸油管密封不严

⑤泵吸油高度超标准且吸油管细长且弯头太多

⑥吸油过滤器过滤精度太高，或通油面积太小

⑦油的粘度太高

⑧叶片泵叶片未伸出，或卡死

⑨叶片泵变量机构动作不灵，使偏心量为零

⑩柱塞泵变量机构失灵，如加工精度差，装配不良，配合间隙太小，泵内部摩擦阻力太大，伺服活塞、变量活塞及弹簧芯轴卡死，通向变量机构的个别油道有堵塞以及油液太脏，油温太高，使零件热变形等

11.柱塞泵缸体与配油盘之间不密封

12.叶片泵配油盘与泵体之间不密封

10 船舶动力机械的远程监测与诊断

1、设计原则与基本构成？书P190

原则：①建立分层次、多模式和模块化的远程诊断系统

②构成监测、诊断、机务管理与维护决策一体化的远程诊断系统，实现工况监测、故障

诊断、机务管理和维修决策支持的功能

③本着节能、高效、安全和可靠的原则，开展船舶动力机械远程诊断系统的设计与实现

基本构成：

2、监测方法与测点布置？书P192

监测方法：振动监测法、油液监测法、瞬时转速监测法和性能参数监测法

3、船载监测子系统的组成？

系统硬件、数据库、软件、程序设计